JPS6014198Y2 - 水晶振動子を用いた力センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （考案の技術分野） 本考案は、力が印加されると印加された力に対応して振
動周波数が変化する水晶振動子を２個用い、この２個の
水晶振動子に記印加された力が差動的に作用するように
して、それ等の振動周波数の差の信号、すなわちビート
信号の周波数に基づいて上記印加した力の大きさを測定
する力センサの構造に関するものである。

（従来技術） 水晶振動子を使用して印加した力を検出する力センサと
しては、２個の水晶振動子を使用し、印加した力がそれ
ぞれの結晶軸（Ｘ軸）に対して互に異った方向から当該
２個の水晶振動子に作用するようにして上記印加した力
に対し、上記２個の水晶振動子が互に逆方向の振動周波
数変化を生ずるようにして当該２個の水晶振動子の振動
周波数の差によって上記印加力の大きさを求めるように
したもの（例えば特公昭４６−１３３１４号で提案され
ているもの、以下、異方向印加力水晶振動子力センサと
いう。

）、又は、２個の水晶振動子を使用し、印加した力が上
記２個の水晶振動子に撓め力（曲げ力）として作用して
、それぞれの結晶軸（Ｘ軸）に対して同じ方向から、一
方の水晶振動子には圧縮力が、他方の水晶振動子には引
張力が加わるようにして互に逆方向の振動周波数変化を
生じせしめるようにし、当該２個の水晶振動子の振動周
波数の差によって上記印加した力の大きさを求めるよう
にしたもの（例えば特開昭５０−８４２８咥で提案され
ているもの、以下、同方向印加力水晶振動子力センサと
いう。

）等、種々のタイプの力センサが提案されている。

しかしながら、上記異方向印加力氷晶振動子力センサに
あっては、結晶軸（Ｘ軸）に対する力の印加力向を２個
の水晶振動子について別個に設定しなければならず、こ
の設定は一般に精度よく行なうことは困難であって精度
よい測定が期待できないこと、結晶軸に対する印加力の
方向で最大感度を呈する方向は一方向しかないので、少
くとも一方の水晶振動子は感度の低い状態で使用しなけ
ればならず、このため分解能及び感度をあまり上げるこ
とができないこと等の問題点がある。

更にまた、上記同方向印加力水晶振動子力センサにあっ
ては、印加力の伝達機構中中に氷晶振動子の補強部材を
必要としく一般に水晶振動子は特に撓め力に対して脆弱
であるため）、この補強部材は水晶振動子の検出圧力の
感度を鈍くする方向に使用するため、得られる感度に限
界があること、曲げによって水晶振動子に力を伝えてい
るため、２個の水晶振動子のそれぞれに加わる引張力と
圧縮力の大きさが必ずしも等しくはならず、検出信号対
印加力特性が必ずしも直線的にはならないため、得られ
る精度に限界があること等の問題点がある。

（考案の目的） 本考案は、以上のような従来の力センサの問題点を解決
し、構造が簡単で、印加力（被測定力）に対して強固で
あり、かつ測定の精度、感度及び分解能が高くでき、る
力センサを得ることを目的とする。

（考案の構成の要点） 以上の目的を遠戚するため本考案では印加した力の作用
点に関して対称位置に配した２枚の水晶振動子に力を伝
達してその１つに引張力を、他の１つに圧縮力をそれぞ
れ印加し、これら２枚の水晶振動子によって構成される
２つの水晶発振器の発振周波数の差によるビート信号の
周波数変化を検出し、そのビート信号の周波数値が変化
した大きさに基づいて力の大きさを測定するようにした
ものにおいて、２枚の水晶振動子は被測定力の印加力向
に板面が平行であり、かつ互に一直線上にないように離
隔して力伝達機構に固定され、被測定力は上記力伝達機
構の水晶振動子固定点の中央に印加されるようにすると
ともに、被測定力の印加力向と反対の方向（反印加方向
）に加わる力は上記２枚の水晶振動子には加わらないよ
うに構成した。

この構成により被測定力の全てが２枚の水晶振動子に、
その板面方向（印加力に対する強度が最も大きな方向）
から直接加わることとなり、感度、精度及び分解能が高
く、かつ破損しにくい力センサが得られる。

（考案の実施例） 本考案の実施例を図面によって説明する。

第１図は本考案の実施例の電気関係部分の構成を示すブ
ロック図であり、まず、この第１図により、実施例の電
気系統の作用について説明する。

力伝達機構１３に力が作用するとその力は、水晶振動子
１に引張力、水晶振動子２に圧縮力として伝達されるよ
うに作られている。

水晶振動子１及び２は、同一方向の力に対して同一方向
、同一の値の周波数変化が生ずるよう特性の揃ったもの
であり、一方の引張力、他方に該引張力と同じ強さの圧
縮力が加われば互に反対方向に同一値の周波数偏移が生
ずる。

発振回路３１．３２及びミキサ３３は、共に外部電源か
ら電気出力リード１６を介して電力を供給されて動作し
、発振回路３１の一部として水晶振動子１が、また発振
回路３２の一部として水晶振動子２がそれぞれ作動して
いる。

発振回路３１及び３２の発振出力はミキサ３３で混合さ
れて電気信号出力リード１６に出力される。

電気信号出力リード１６には水晶振動子１及び水晶振動
子２の発振周波数の差信号（差の周波数の信号）の出力
が得られ、この差信号は後位の周波数カウンタで計数さ
れ、力を周波数信号としてディジタルに計測しディジタ
ル信号による処理、表示、記録等をおこなう。

次に本考案の実施例に係る力センサの構造について第２
図〜第４図により説明する。

第２図は本考案の実施例の構造を示す断面図、第３図は
本考案の実施例の要部を示す部分斜視図、第４図は他の
実施例の構造を示す断面図である。

まず、第２図及び第３図により第１の実施例を説明する
。

第２図及び第３図において引用記号で示す部分の意味は
下記の通りである。

１・・・・・・水晶振動子（引張力が加えられるもの）
２・・・・・・水晶振動子（圧縮力が加えられるもの）
４・・・・・・電子回路（第１図の発振回路３１，３２
ミキサ６６など） ５．６．７・・・・・・水晶振動子ホルダ（例えば鋼で
作る二以下ホルダと言う。

）訃・・・・・支柱（例えば鋼で作る。

）１０・・・・・・上板（例えば鋼で作る。

）１１・・・・・・底板（例えば鋼で作る。

）１２・・・・・・支点体（例えば鋼で作る。

：以下支点と言う。

）１３・・・・・・力伝達ワイヤ（例えばピアノ線で作
る二以下ワイヤと言う。

）１４・・・・・ストッパ（例えば鋼で作る）１５・・
・・・ケース １６・・・・・電気信号出力リード １７１８・・・・・・止ネジ １９・・・・・ボルト ２０・・・・・ナツト Ｆ・・・・・力（外カニ矢印で向きを示す）なお、上記
各部の大部分に鋼を使用するのは剛体としての作用を得
るためである。

支柱は筒状（例えば円筒）であって、その高さ方向の中
央部を横方向に貫通して横孔８ａが設けられており、こ
の横孔８ａの中にホルダ５がその両端を支柱８の外方に
延出して水平状に配置される。

また、支柱８は上板１０と底板１１とで挾持状になって
おり、底板１１には支柱８の中心部空間’８ｂと連通す
る孔１１ａが設けられている。

支柱８の上記横孔８ａより上板１０寄りの外面の箇所に
はホルダ６が止ネジ１８によって固定され、また支柱８
の上記横孔８ａより底板１１寄りであって上記ホルダ６
とは反対側の外面の箇所にホルダ７が止ネジ１８によっ
て固定されている。

支柱８、上板１０、底板１１はこれら相互が堅固に組合
わされ固定されている。

なお、支柱８、上板１０、底板１１は連続した一体構造
のものとして作ってもよい。

第２図に示す実施例では各部を個別に作ったものを組合
わせたものとして示した。

第３図に示すようにホルダ６は直方体に形成され、その
下部には水晶振動子１を埋設するための縦方向（図面に
於ける縦方向二以下方向又は向きについては図面に於け
る方向又は向きを言う。

）の溝６ａを有し、また、ホルダ７も直方体に形成され
、その上部には水晶振動子２を埋設するために縦方向の
溝７ａを有する。

ホルダ６はその溝６ａに水晶振動子１の上方端を埋設固
定して水晶振動子１を下向きに支承し、またホルダ７は
その溝７ａに水晶振動子２の下方端を埋設固定して水晶
振動子２を上向きに支承する。

ホルダ５は平面状の板状部材で、両端部分がそれぞれ支
柱８の外部に充分に出るだけの長さのものであり、両端
の部分においてその上面側に水晶振動子１を埋設するた
めの溝５ｂを有し、下面側に水晶振動子２を埋設するた
めの溝５ｃを有しており、水晶振動子１の下方端をホル
ダ５の上面端部の溝５ｂに、水晶振動子２の上方端をホ
ルダ５の下面端部の溝５ｃにそれぞれ埋設固定する。

即ち、２個の水晶振動子１，２は後述する支点１２（ホ
ルダ５に於ける力の作用点で、該ホルダ５の中心に設定
される。

）に対して点対称の位置及び姿態で支持されている。

以上のようにして、水晶振動子１はホルダ５の上方にお
いて該ホルダ５とホルダ６とにより支柱８の外面寄りに
位置して保持され、また水晶振動子２はホルダ５の下方
において該ホルダ５とホルダ７とにより支柱８の外面寄
りに位置して保持される。

力が作用していない場合、水晶振動子１はホルダ６およ
びホルダ５以外には拘束されず、また水晶振動子２はホ
ルダ７およびホルダ５以外には拘束されない。

さらにこの場合ホルダ５は水晶振動子１および水晶振動
子２以外には拘束されない。

即ちホルダ５は支柱８の横孔８ａ内を差し渡して宙吊り
状に（支柱８と非接触的に）位置している。

さらに水晶振動子１および水晶振動子２は互に平行に位
置しており、かつホルダ５の板面に対して水晶振動子１
および水晶振動子２は双方とも垂直に位置している。

支柱８の横孔８ａは外力Ｆが加わってホルダ５が偏移し
ても該ホルダ５が支柱８に接触しないような径に設定さ
れており、また、このとき水晶振動子１及び２は支柱８
に接触しないように当該支柱８から充分に離して固定さ
れている。

水晶振動子１および水晶振動子２はいずれも一般に長方
形の平板状のもの（板状体）が用いられ、その中央部の
両面に、発振周波数信号を取り出すための被膜状電極と
、この被膜状電極の各々からの電気信号の引出導線を有
し、この引出導線は電子回路４に接続されている。

電子回路４は支柱８の適宜の個所に固定され、電気信号
出力リード１６は適宜の手段により外部に導出されてい
る。

水晶振動子１および水晶振動子２は後述の支点１２、ワ
イヤ１３によってそれぞれ板状体の面に沿った方向の力
（圧縮力、引張力）を受けるように配置されている。

即ち、その板状体の面が支柱８の外面に沿よた縦方向（
上下方向）に位置するように配置しである。

水晶振動子１および水晶振動子２は個々には同じ大きさ
の圧縮力又は引張力に対して同じ値だけ発振周波数が変
化（増大又は減少）する特性の揃ったものを組にして用
いる。

具体的には、２個の水晶振動子１，２として、結晶から
の散出角度が全ての結晶軸（Ｘ軸、Ｙ軸及び２軸）につ
いて同じものを使用し、双方に対して同じ方向から圧縮
力又は引張力が作用するようにしている。

また、水晶振動子１及び２は被測定力との接点であるホ
ルダ５に離隔して固定されていて一直線上にないので、
ワイヤ１３に印加される被測定力が回転モーメントとし
て作用することがなく、水晶振動子１及び２が破損され
にくい構造となっている。

ホルダ５はその中央部部において水晶振動子１および水
晶振動子２から等距離の箇所（中点）に、その箇所を中
心とする円形の縦（垂直）孔５ａを上面から下面に貫通
して有する。

この縦孔５ａにはホルダ５の円錐状もしくは望ましくは
球面状の外曲面を有する支点１２を載置する。

力Ｆ（外力）が作用しないない状態、ただし支点１２の
自重、取付けられているワイヤ１３およびストッパ１４
の重量による力が下向きに作用している状態において支
点１２はその外曲面によって縦孔５ａの上縁に接してい
る以外には拘束されていない。

気侭１２は、ホルダ５の縦孔５ａに載置した状態で、こ
の縦孔５ａの中に半ば嵌入する深さがあるが、完全に（
望ましくは球面として作った部分以外の部分が）縦孔５
ａの中に嵌没することがないようにする。

これは縦孔５ａの半径（直径）と支点１２の曲率半径（
ホルダ５の縦孔５ａに接する箇所の曲面の曲率半径）と
の相互関係を設計上の観点から定めることによって実現
できる。

以上の構成によりワイヤ１３に矢印下と反対の方向に衝
撃等の外力が加わったときには、ホルダ５の縦孔５ａか
ら支点１２が脱出して当該外力が水晶振動子１，２に加
わることがないので、当該水晶振動子１，２の破損が防
止できる。

また支侭１２が縦孔５ａに再び嵌合する際、当該支点１
２の形状が円錐又は球面形状であることにより嵌合位置
がずれることはない。

さらに支点１２はワイヤ１３を挿通する縦孔（垂直孔）
を中央に有し、この縦孔に支点体１３が挿通固定されて
いる。

また、上記支点２に固定されたワイヤ１３にはストッパ
１４が止ネジ１７によって底板１１から外部に突出して
固定されている。

ワイヤ１３はホルダ５の縦孔５ａを挿通して支点１２に
よって係止され、自由に吊下された状態で（外力Ｆが作
用せず、ストッパ１４の自重のみが作用した状態で、）
水晶振動子１および水晶振動子２に平行で、かつこれら
２つの水晶振動子１．２から等距離にあるようにする。

即ち、ワイヤ１３は外力が作用していない状態で水晶振
動子１および水晶振動子２の位置する箇所の中点を通っ
て自由に吊下する。

また、ワイヤ１３はその中間部分がストッパ１４を挿通
しているか又は下端部分がストッパ１４の中に止ってい
る。

即ち、ストッパ１４には縦方向の中心箇所に挿通孔もし
くは少くとも先端部分（上方部粉骨）の縦方向中心軸箇
所に縦孔があってワイヤ１３ａが挿通されている。

ワイヤ１３とストッパ１４とは相互に固定したままとし
、或いは相互に固定したり及びこの固定を解除したりす
ることができるようにしである。

第２図の場合は、ワイヤ１３に垂直な止ネジ１７によっ
て、ストッパ１４に挿通しているワイヤ１３とストッパ
１４とを相互に固定したり、゛この固定を解除したりす
るようにしである。

ストッパ１４は外力Ｆが作用していない状態においては
ワイヤ１３以外には拘束されていない。

ストッパ１４は上方部１４ａの部分の径が下方部１４ｂ
の径よりも小さく形成され、上方部１４ａと下方部１４
ｂとの境界に段状部を有する側面概形凸状のものである
。

また底板１１はその中心部にストッパ１４の上方部１４
ａが遊嵌合し得る形状の孔１１ａ（前記支柱８の中心部
空間８ａと連通している孔）を上下方向に貫通して有す
る。

底板１１の孔１１ａの内面とストッパ１４の上方部１４
ａの外面との間にはいくらかのギャップがあり、また、
外力Ｆが作用していない場合、底板１１の下面（ケース
１５に対して外部となる面）とストッパ１４の段状部と
の間にいくらかのギャップがある状態が正規の状態であ
るようにストッパ１４の位置が規定されている（ワイヤ
１３に対するストッパ１４の拘束位置の調節的設定によ
り実現できる）。

ストッパ１４はワイヤ１３に横方向の力が作用した場合
、ストッパ１４の上方部１４ａの外面が支柱１１の孔１
１ａの内面に接触することによってワイヤ１３の横方向
の偏位を上記ギャップの範囲に規制し、水晶振動子１、
水晶振動子２に過度な撓め力が加わらないようにして水
晶振動子１及び２が損傷するなどのことがないようにす
るため、並びにワイヤ１３が支柱８の内面に接触して加
わった外力Ｆの効力が損われるなどのことがないように
するためのものである。

また、底板１１の孔１１ａとストッパ１４の段状部との
間のギャップは外力Ｆが作用した場合において上向きの
過大な力が生じたとき支点１２がホルダ５の縦孔５ａか
ら脱出することがないようにするためのものであり、こ
のギャップの大きさは支点１２が縦孔５ａに嵌入してい
る深さく支点１２と縦孔５ａとの接触線から支点１２の
先端（下端）までの距離）よりいくらか小さく設定する
ことにより支点１２の脱出回避が保障される。

以上のようにして構成された各部のうち上板１０と底板
１１との間に構成されたものはケース１５によって包ま
れている。

ケース１５はボルト１９及びナツト２０によって上板１
０に固定され、下部の開口部分は底板１１によって塞が
れている。

外力Ｆが作用していない場合は水晶振動子１、水晶振動
子２はそれぞれほぼ同じ周波数で発振している（電気回
路形成上の理由により必要なオフセット周波数（若干の
発振周波数差）が設定されている。

）が、外力Ｆがワイヤ１３に下向き（矢印の向き）に作
用すると、気侭１２を介してホルダ５が下向きの力を受
けてその外力Ｆの向きに移動するので、ホルダ５の両端
に固定されている２つの水晶振動子１及び２に同大かつ
反対向きの力、即ち水晶振動子１には引張力、水晶振動
子２には圧縮力、が作用する。

この結果、水晶振動子１の発振周波数は例えば増大（又
は減少）し、水晶振動子２の発振周波数は例えば減少（
又は増大）する。

次に第４図によって本考案の第２の実施例を説明する。

第４図は前記第１の実施例の発展的応用実施例で、力伝
達のための一手段として、ベローズ２２、ベローズケー
ス２１及び被測定圧（ガス）注入栓２３を付加して、ガ
ス圧計を構成したものである。

ベローズ２２の上端はワイヤ１３の下端に固定され、下
端はケース１５に固定されている。

ベローズ２２内はある規定された気圧値に設定されてい
る。

なお第５図中の引用記号の１〜２０で示す各部の意味は
、第２図中の対応する１〜２０の各記号の意味と同様で
あり、ベローズケース２１、ベローズ２２、被測定圧注
入栓２３以外の構成は第２図の場合と同様である。

第４図のガス圧計にガス圧力Ｐが被測定圧注入栓２３か
ら加えられるベローズ２２内の気圧より高くなるとワイ
ヤ１３に直結されたベローズが圧縮され従ってワイヤ１
３は第２図の力Ｆが作用したのと同様の効果を生じる。

爾後の動作の態様は前記第１の実施例の場合と同様であ
り、ガス圧Ｐがビート信号の周波数の変化として出力さ
れる。

本考案の実施例では、ビート周波数の基準周波数（零荷
重時の周波数）は１０ｋＨｚ±２ｋＨｚ最大周波数変化
は約６ｋＨｚで感度は２Ｈ２／ｇｒ、精度±１７３００
代分解能±０．１２％と良好な結果を得ている。

（考案の効果） 以上述べたことから明らかなように、本考案によれば、
次に示すような種々の長所を有し、前記従来例が有する
それぞれの問題点を同時に解決できるものであり、本考
案は極めて著しい効果を有する。

（１）特性が同じ２個の水晶振動子結晶軸に対して同じ
方向から印加した力を作用させるような構造とし、当該
２個の水晶振動子の発振周波数のビート信号の周波数変
化を利用するので、温度変化及び電圧変化による個々の
水晶振動子の発振周波数の変化を補正し合い、非常に安
定した信号出力が得られる。

（２）測定周波数を高く設定でき、かつ、２個の水晶振
動子に対する力の印加力向を双方とも最大感度の方向に
設定できるので、印加した力を高分解能（±０．０２％
）で測定可能である。

（３）２個の水晶振動子には定常測定では印加力向（被
測定力）が直接２個の水晶振動子に加わり、しかも定常
測定では当該印加力が水晶振動子に対して、その板面方
向に作用し、撓め力として作用しないので、水晶振動子
の損傷を防止しつつ高感度（２Ｈｚ／ｇｒ）な測定が可
能である。

（４）２個の水晶振動子には、被測定力がその板方向か
ら正しくされるので検出信号（２個の水晶振動子の振動
周波数の差信号）対印加特性の直線性が良好であり、精
度の高い測定（±１７３０００）が可能である。

（５）２枚の水晶振動子は被測定力の印加力向に対して
一直線上にない（ホルダ５に離隔して固定されている）
ので被測定力が回転モーメントして作用することが少な
く、従って水晶振動子に被測定力が直接印加されても当
該水晶振動子が破壊されにくい。

（６）水晶振動子と力伝達部材（ワイヤ１３）とは被測
定力の印加方向と反対の方向の力に対しては２つの部材
（ホルダ５及び支点体１２）によってルーズに結合され
ているので、衝撃等の外力に対して強い力センサが得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例の電気系統のブロック図、第２
図は本考案の実施例の構造を示す断面図、第３図は本考
案の実施例の要部を示す部分斜視図、第４図は本考案の
他の実施例を示す断面図である。 １．２・・・・・・水晶振動子、３１，３２・・・・・
・発振回路、３３・・・ミキサ、５，６，７・・・・・
・水晶振動子ホルダ、８・・・・・・支柱、１２・・・
・・・支点体、１３・・・・・・力伝達ワイヤ、２２・
・・ベローズ、２３・・・・・・被測定圧注入栓。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 板状部材５と、印加力対周波数特性が同一の２枚の板状
   水晶振動子１，２と、被測定力を上記板状部材５に伝達
   する力伝達部材１３とが次のａ〜Ｃのように結合されて
   なる水晶振動子を用いた力センサ。 （ａ） 板状部材５の中央には縦孔５ａが設けられ、
   力伝達部材１３の板状部材への結合点には、円錐もしく
   は球面形状で円錐面もしくは球面が上記縦孔５ａの周縁
   に当接する支点体１２が取付けられていて、力伝達部材
   １３は板状部材５の中央に当該板状部材５の板面に対し
   て垂直になり、かつ当該板状部材５と力伝達部材１３と
   は被測定力の反印加力向に対してルーズに結合されてい
   ること。 （ｂ） 水晶振動子１，２の一端は、板状部材５の両
   端で力伝達部材１３の結合個所から等距離の位置に、当
   該板状部材５の板面に垂直で、かつ互に反対の方向に向
   けて固定されていること。 （Ｃ） 水晶振動子１，２の他端は、被測定力の印加
   に対して不変である個所６，７に固定されていること。